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创新油田开采技术 推进我国能源建设——中国工程院院士韩大匡
2012-09-26
韩大匡，男，汉族，中共党员，1932年11月出生于上海，1952年毕业于清华大学采矿系，原籍浙江杭州萧山区。从事油气田开发研究工作五十余年，在高等院校任教近20年，组建了我国第一个油田开发系，1972年调入中国石油勘探开发规划院（现中国石油勘探开发研究院），历任该院开发室主任、副院长兼开发所所长、总工程师等职，现为教授级高级工程师、博士生导师，2001年当选中国工程院院士。他在研究工作方面注重理论和实际的密切结合，既坚持对我国油田开发全局进行综合性研究，制定战略对策和技术发展方向，又对油藏数值模拟技术和提高采收率技术进行了锲而不舍的探索，取得了重要成果，是我国这两项技术的开拓者之一。共获国家科技进步二等奖1项，全国科学大会奖1项，省、部级科技进步一等奖4项，二、三等奖各1项。1991年被中国石油天然气总公司授予“石油工业有突出贡献科技专家”荣誉称号，并获政府特殊津贴。1996年获中国科学技术发展基金会孙越崎科技教育基金能源大奖。
一、重视理论结合实践
1952年，从清华大学毕业的韩大匡留校担任石油工程系的助教。次年9月，根据全国院系调整的安排，石油系脱离清华大学在北京西北郊成立了我国第一所石油高校——北京石油学院。韩大匡也随着来到了石油学院，开始了中国第一个高校油田开发系的筹建工作。
上世纪50年代中期，韩大匡有幸随科技考察团赴苏考察，其间他考察了在苏联油气田开发方面居于最高学术地位的全苏采油研究院。在那里他遍访了该院所有的实验室，把允许接触的数据、资料、报告摸了个遍，整整调研了三个月；他接触到了世界上先进的油气田开发科技，了解了进行科学研究的方法，他的专业能力得到了深化。
由于俄文较好、专业扎实，上世纪50年代初期，韩大匡参加了玉门老君庙油田的注水开发设计工作，负责注水开发方案的渗流力学计算工作。这项注水设计工作由前苏联专家特拉菲姆克院士提出倡议，西马可夫指导，借鉴了苏联杜马兹油田的开发模式，采用边外注水方式。这是我国第一次尝试注水开发技术，揭开了我国注水技术开发油田的序幕，为以后的注水开发油田技术的普遍运用、并且成为中国油田的主体开发技术提供了宝贵的经验。韩大匡见证了这个第一次，再一次感受到理论结合实践的必要性和实践待理论提升的重要性。
上世纪50年代中后期，是石油工业频频会战的时期，作为北京石油学院的教师，韩大匡参加了川中石油会战和大庆石油会战。他两度离开大学校园，投入油田建设，亲身体验了石油工业艰苦奋斗的光荣传统以及生产实践和科学技术紧密结合的重要性。韩大匡进入油田的课堂，收获了很多书本以外的知识。
1958年，四川中部发现了新的油田并展开了川中石油会战。石油学院领导委派韩大匡带领部分师生组织文昌寨钻井区队，这个区队下辖两个井队，师生共有二百多人，但是大家都缺少实际生产的经验。韩大匡任区队总支书记，是区队的总负责人。对于当时只有二十五、六岁的青年教师韩大匡来说，要领导好这支队伍，完成生产任务，确实是是一场严峻的考验。当时连开进井场的公路都没有，师生们从修公路开始，到平整井场、安装钻机，最后钻进作业，一切都要自己动手、从头做起。当时全国处于“大跃进”时代，物资奇缺，甚至连一把扳手都难以买到。而且，这支钻井队伍只有几个老石油工人师傅，其他二百多人都是石油学院的师生，在这里，学生成了修路工、搬运工、钻工、柴油机司机，历经了与课堂教育完全不一样的锤炼，终于成长为一批既有理论知识又有实践经验的人才。韩大匡带领这支队伍圆满完成了任务，他本人也在磨练中得到了成长。
1960年，大庆会战开始，韩大匡又马不停蹄转战松辽平原，全身心地投入到大庆油田的创业中。在大庆，韩大匡除了在开发室负责渗流力学的计算以外，还担任了油井分析队队长，负责生产试验区的油井动态分析工作，任务十分繁重。那时候，他经常跑井场搜集各种数据，回来绘制等压图，进行地下油水渗流的动态分析，为了适时进行注水开发，他还准确地预测了必须进行注水的时机，为实施注水方案、补充油藏能量提供了依据。
在大庆会战过程中，他付出了极大的精力。参加会战的年头里，他几乎没有在午夜两点前睡过觉，长期下来，积劳成疾，他慢慢觉得身体吃不消了。在大庆，他得了一种怪病，常常高烧39摄氏度以上，甚至达到40摄氏度，每次都要发病一周左右，几乎每月发作，每次发病是白天连着黑夜的高烧，韩大匡越来越消瘦，越来越憔悴了。后来，医生为此病起名为“周期热”，这种病从此缠绕他近十年。
二、致力于油气田开发研究
在参加大庆会战时期，韩大匡深感生产中有很多问题需要通过科学研究来解决。回校以后，他在开发系筹建了油田开发研究室，研究一些生产中急需解决的课题，也研究一些带有前瞻性的课题。这是石油高校在油田开发方面的第一个专门从事科研的组织机构，在当时油田开发界颇有影响。
1978年，韩大匡担任石油科学研究院副院长兼油气田开发所所长，主管油气田开发方面研究工作，主要的研究方向包括全国油气田开发战略性综合研究、提高采收率以及油藏数值模拟等。
1、提高原油采收率
原油采收率是表征原油资源利用程度的一个重要指标，它的含义是通过一定的工艺技术从原始的原油地质储量中所能采出原油总量的百分率。现在我国开发油田的主体技术是注水开发，所能达到的采收率全国总平均也就只有三分之一左右，也就是说约三分之二的原油将被遗留在地下采不出来。按目前我国已动用的原油地质储量结算，采收率每提高一个百分点，约可多采出2亿吨原油，相当于多找到了约10亿吨原始地质储量。因此，如何不断提高采收率是一个具有重大战略意义的重要课题。三次采油技术就是一种重要的提高采收率方法。
早在上世纪60年代初期，韩大匡带领北京石油学院开发研究室工作人员就开始了三次采油技术的实验研究，是我国三次采油提高采收率技术的开拓者之一。他们从油藏内水驱油的原理出发，认为水驱油采收率较低的主要原因之一是在于用低粘度的水去驱替粘度较高的原油，水流必然会先发生突破而向前窜流，从而降低了水驱的效果。由此，他们提出了“稠化水驱提高石油采收率”的理念。他们进行了大量实验研究，结果表明，用天然或者人工的高分子聚合物稠化的水溶液溶入水中，将水稠化提高其粘度以后再注入油藏，是一种有效的提高采收率的方法。
为了研制增稠剂，韩大匡和同事们走遍了北京、上海的化工、纺织市场和企业，经室内筛选实验，最后认为聚丙烯酰胺是一种增粘性能好、能够有效提高原油采收率的化学剂。根据这个实验结果，他们和新疆克拉玛依油田合作进行了现场试验，获得了肯定的提高采收率效果。但是其后，这项研究工作由于文化大革命而一度中断。
进入上世纪80年代，韩大匡继续积极倡导我国聚合物和其他化学驱的研究工作。他作为“七五”国家重点科技攻关项目“三次采油技术”领导小组组长，确定在大庆、大港等油田进行聚合物驱先导性现场实验，取得了良好效果，为聚合物驱的进一步应用和推广打下了基础。
但是，在上世纪80年代中后期，关于是否继续使用化学驱方法来提高原油采收率的问题，曾经在国内引起了一场争论。有人提出疑问，西方发达国家由于经济因素都已放弃了化学驱这种提高采收率方法的研究而另找别的方法，我们还需不需要继续搞下去？对此，韩大匡认真分析了我国油田的地质条件和提高采收率所用物料供应的可能性，认为三次采油虽然有多种方法可供选择，但一个国家选用哪一种技术路线，必须从自己的国情出发，不能照搬照套别国的做法。他提出中国的陆相储层非均质比较严重，原油粘度又相对较高，大庆等油田油层温度和地层水矿化度都较低，这些因素都有利于进行聚合物驱等化学驱技术，因此化学驱最适于在中国应用，有着广阔的前景。由此，他坚定不移地走自己的路，使化学驱终于发展成为具有中国特色的提高采收率技术。
1987年到1991年，为了根据中国国情全面规划三次采油技术的发展战略，韩大匡和他的同事们负责完成了“中国注水开发油田提高原油采收率潜力评价及发展战略研究”，对全国十三个主要油区82个油田184个代表性区块进行潜力分析计算，覆盖的总储量达73.4亿吨，约占当时全国注水油田储量的84.4%。研究报告中所提出的实施三次采油技术的原则、方法、步骤和规划，为原中国石油天然气总公司采纳，逐步付诸实施。在东部高含水油田如大庆、胜利等进行聚合物驱工业化推广，并在大庆油田建立了当时世界上最大规模的年产五万吨聚丙烯酰胺工厂，以满足聚合物驱物料供应的需要。大庆油田聚合物驱油现场试验结果表明，聚合物驱可提高采收率10%～12%，这个研究项目获得了总公司科技进步一等奖。
2、敏锐的预见性和丰富的创新力，推广油藏数值模拟研究和应用
上世纪60年代，韩大匡敏感地觉察到油藏数值模拟技术具有非常好的发展远景。当时计算机技术还处于发展的初期，计算速度都非常低，还不能用来解决油田复杂的实际问题。但是，韩大匡看到了传统的数学解析法在实际应用上有根本性的局限性，这是由于实际油藏常常带有严重的非均质性，是实际计算中所不可忽略的因素。用解析法求解的前提之一就是要把复杂的油藏简化成均质油藏，这样就完全失去了在计算中考虑油藏非均质性的可能性；反过来，用计算机进行网格剖分走数值求解的路，就恰恰有可能解决非均质性的渗流问题。当时他意识到，计算机技术在解决油田复杂问题上有非常好的应用前景。所以韩大匡与中科院计算所合作开展了用计算机求解油水两相渗流的研究工作，可以说是为我国利用计算机技术来研究油藏渗流问题开了一个头。他还指导了一名研究生从事这方面的研究工作，成果获得了计算数学的权威专
上世纪80年代，韩大匡协助当时石油部领导在全国学术会议上提出油气田开发工程6大学科和10项主要工程技术的发展规划，其中一个重要的学科就是渗流力学。韩大匡担任了部渗流力学协调组长，大力倡导油藏数值模拟研究和应用工作。
此后，韩大匡与他人合作的科研成果“非均质亲油砂岩油层内油水运动规律的数值模拟研究”获得部级一等奖。“七五”期间他主持了国家重点科技攻关项目“油藏数值模拟技术”，集中了全国各有关油田、高校和科研院所的力量，分工协作，研制了符合我国油藏类型的多功能模型等46个模型和专用模块，形成了适用于砂岩、碳酸盐岩等四种主要油气藏的配套软件，该项目1992年获得国家科技进步二等奖及1991年总公司科技进步一等奖。
为了准确地量化油藏中的剩余油分布，对数值模拟技术在网络数量、计算速度、网格技术、历史拟合等方面都提出了更高的要求，需要发展很多新的技术和方法。韩大匡创造性地提出了油藏“精细数值模拟”的概念和实现它的系列新方法。他指导他的研究团队进行了大量的研究工作，包括综合运用数据挖掘等新方法，有效地实现了分层历史拟合，并且发展了粗细网格相结合的多尺度网络技术、窗口计算技术以及前缘动态追踪技术等，推动了数值模拟技术的发展。
同时，鉴于我国的数值模拟技术软件和国外先进软件相比还存在着较大差距，他正指导着我国新一代数值模拟软件的研制，以便使我国的数值模拟技术迎头赶上，实现跨越式发展。他还根据生产的需要，指导有关缝洞型碳酸盐岩油藏数值模拟软件的研究，这种软件牵涉到油水两相流体在洞穴空间中流动的流体力学数学方程的建立和求解，这个问题的求解国外还没有先例，正在进行开创性研究。
3、坚持不懈积沙成塔，提出油藏工程综合研究新理念
油藏工程是研究和解决油田开发问题的综合性工程学科。要搞好油藏工程的综合研究，既需要有全局观念，善于发现油田开发生产中当前所存在的以及将来可能发生的种种矛盾，还需要熟悉解决这些矛盾的先进、适用技术。
上世纪80年代后期，韩大匡开始研究不同含水阶段油藏内油水分布、特别是剩余油分布格局的变化及其对油田开发的影响。他对大量的油田开发实践资料作了理论上的概括，提出“不同含水阶段，油藏内存在着不同的剩余油分布格局，应该采取不同的开发对策和技术路线”，并且具体提出：当含水60%左右时，油田开发进入高含水初期，油藏内低渗透层还存在着大片连续的剩余油；而当含水超过80%，油田进入高含水后期以后，油藏内剩余油分布发生了重大变化，转变为“整体上剩余油已经高度分散，仅在局部还存在相对富集部位”的格局等重要认识。
根据这些新的认识，他预见到“六五”以来老油田以细分开发层系和加密井为主要内容的综合调整阶段将在“七五”末基本结束，老油田将进入深度开发的新阶段。他对新阶段的目标、任务、特点等作了比较细致的阐述，指出在这个新阶段里，首要的任务是进一步提高采收率，为此需要认真研究各油藏内剩余油的具体分布形态，针对剩余油富集区进行综合治理，并且还提出了各种提高采收率的配套技术措施。这些观点和具体对策的论述相继发表在全国油气田开发会议（1987、1990及1994年）的主题技术报告、专著《多层砂岩油藏开发模式》（石油工业出版社，1999年）以及论文《深度开发高含水油田提高采收率问题的探讨》（《石油勘探与开发》，1995年）之中，对当时老油田增加可采储量、延长稳定期起了重要的指导作用。
进入新世纪以后，各主力老油田含水又进一步增加到90%左右，陆续进入特高含水阶段。老油田开发形势面临更为严峻的挑战，产量普遍发生递减。过去已掌握的技术措施已不适应油田开发新形势的要求，急待提出新的有效对策。2001年韩大匡当选院士后，他选择了当时油田开发界最感困扰、难以下手的进一步提高水驱采收率问题作为自己的主要研究方向。经过十年的研究，他比较系统全面地提出了对高含水老油田进行“二次开发”、以较大幅度提高水驱采收率的开发理念、对策和技术路线，主要包括“在分散中找富集，结合井网系统的重组，对剩余油富集区和分散区分别治理”的开发理念，“不均匀高效调整井和均匀井网重组结合、井网重组和可动凝胶深部调整相结合、水平井和直井相结合”的“三结合”对策，以及采取深化油藏描述、量化剩余油分布的新技术来重新建立对地下油藏的认识体系、寻找富集区的技术路线，同时还研制了耐高温和高盐、适应性非常广泛的新型预交联微胶团型的可动凝胶系列产品，积极倡导地震技术在开发中的应用，并逐步培养了一支从事此项工作的科研团队，积极推进了“二次开发”工程的发展，为高含水老油田挖潜作出了新的贡献，在2011年获得了省部级一等奖。
4、解油田生产实践之急，发明油管内衬玻璃清蜡新工艺
我国陆相油田的原油大多数为石蜡基原油，含蜡量普遍很高，在油井生产过程中，井内油管的结蜡十分严重，既严重影响油井的产量，又给工人增加了十分繁重的体力劳动。在大庆会战的日子里，韩大匡亲眼目睹了油井结蜡带来的困扰。当时的解决办法是用刮蜡器刮蜡，用钢丝绳把刮蜡器下到井内，然后采油工人用力往上绞起，刮蜡片才能把油管内壁凝结的石蜡刮下来。由于管内结蜡往往多而稠，结蜡深度还很大，刮蜡片每次只能清理部分井段，每清理一口井费时费力。大庆地处北疆，冬天特别寒冷，为了不影响生产，工人的清蜡作业常常持续好几个小时甚至到深夜，出的汗很快就会冻结成冰，十分辛苦。
韩大匡想找到一种更有效的方法来替代刮蜡片。开始他和同事们想利用添加表面活性剂改变蜡晶的方法来减轻结蜡，但他们实验了多种表面活性剂后逐步明白了一个道理，就是油管上结蜡的主要原因是油管金属表面是亲油的，原油中的石蜡结晶很容易附着在油管表面，结成蜡块，堵塞油管，影响生产。由此他们想到能不能在改变油管内壁的表面性质上做文章，也就是把管壁由亲油性改变为亲水性，这样就可以使石蜡结晶不黏附在油管壁上而随原油流出井外。根据这个思路，他们又进行了各种实验，最后发现玻璃是一种比较理想的亲水物质，在采油钢管内壁镀上一层玻璃可以有效防止结蜡。为了解决把玻璃烧结在油管内壁上的工艺技术问题，他们找了很多工厂，最终在东北四平找到了一家玻璃厂，通过联合攻关，终于研制出了第一根内衬玻璃的防蜡专用油管，然后在大庆油田进行现场试验，取得了成功。这项工艺即“油管内衬玻璃清蜡新工艺”，后来还陆续被推广到其他油田应用，促进了生产发展，深受油田欢迎。1978年，这项工艺被授予全国科学大会奖。
后记
在国家最需要的时候，韩大匡选择了石油专业，选择了他将为之奋斗一生的事业。这条路一走就是半个多世纪，五十多年以后，韩大匡院士感慨地说：“在实践中，我对这个专业从无知到有所认识，再到产生浓厚的感情，愿意终生为之奋斗，至死不悔，每当看着一个个新的油气田的投产、开发，滚滚的油气流向祖国四面八方，心中常常充满着激动和欢欣！”
